Справочник строительных материалов, а также изделий и оборудования для строительства и ремонта квартиры

Свойства древесины

Древесина обладает весьма разнообразными свойствами. Наиболее полно они раскрываются при изучении физических и механических свойств древесины.

Физические свойства древесины. На свойства древесины большое влияние оказывает влажность. Воду, находящуюся в древесине, делят на три вида: капиллярную (или свободную), гигроскопическую и химически связанную. Капиллярная вода заполняет в древесине полости клеток, межклеточные пространства и сосуды. Гигроскопическая вода находится в стенках клеток. Химически связанная вода входит в химический состав веществ, образующих древесину. Основную массу воды в растущем дереве составляет капиллярная и гигроскопическая или только гигроскопическая вода. Состояние древесины, в которой отсутствует капиллярная вода и содержится только гигроскопическая, называется точкой насыщения волокон. В древесине разных пород она составляет 23–35 %. При высыхании древесины влага постепенно испаряется с поверхности наружных слоев, а влага, оставшаяся в древесине, передвигается от внутренних слоев к наружным. По степени влажности различают древесину: мокрую, свежесрубленную (влажность 35 % и выше), воздушно-сухую (влажность 15–20 %) и комнатно-сухую (влажность 8—12 %).

Гигроскопичностью древесины называют свойство ее поглощать из воздуха парообразную воду. Степень поглощения зависит от температуры воздуха и его относительной влажности.

Равновесной называют влажность, которую имеет древесина при продолжительном нахождении на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой. Равновесная влажность комнатно-сухой древесины составляет 8—12 %, поэтому до такой влажности высушивают паркетную клепку и древесину, используемую в помещениях. Влажная древесина отдает влагу окружающему воздуху, а сухая поглощает ее. Поскольку влажность воздуха не постоянна, влажность древесины также меняется – изменение влажности древесины от нуля до точки насыщения волокон вызывает изменение объема древесины. Последнее приводит к разбуханию и усушке, короблению древесины, появлению трещин. Для уменьшения гигроскопичности и водопоглощения древесину покрывают лакокрасочными материалами или пропитывают различными веществами. Плотность древесины зависит от объема пор и влажности и характеризует ее физико-механические свойства (прочность, теплопроводность, водопоглощение). Показатель плотности используют при определении коэффициента качества, который находят отношением предела прочности при сжатии к плотности. У сосны он равен 0,6, а у дуба – 0,57. Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 85 %, лиственных – от 32 до 80 %.

Усушкой древесины называют уменьшение ее линейных размеров и объема при высыхании. Испарение капиллярной воды не сопровождается усушкой, она происходит только при испарении гигроскопической влаги. При этом уменьшается толщина водных оболочек, мицеллы сближаются друг с другом и уменьшаются размеры древесины. Ввиду неоднородности строения древесина усыхает или разбухает в различных направлениях не одинаково. Линейная усушка вдоль волокон составляет 0,1–0,3 %, в радиальном направлении – 3–6 %, а в тангентальном – 7—12 %.

Свойство неравномерного изменения линейных размеров в различных направлениях является одним из отрицательных свойств дерева как строительного материала. Медленное высыхание древесины обеспечивает более равномерную усушку и дает меньше трещин. Неравномерная усушка древесины в различных направлениях вызывает различные напряжения, в связи с чем древесина коробится и покрывается трещинами. В круглом бревне трещины располагаются радиально. Доски, вырезанные ближе к сердцевине ствола, коробятся меньше, чем доски, выпиленные ближе к поверхности бревна.

Набуханием называют способность древесины увеличивать свои размеры и объем при поглощении воды, пропитывающей оболочки клеток. Древесина разбухает при поглощении влаги до точки насыщения волокон. Набухание, как и усушка, не одинаково в разных направлениях. Вдоль волокон оно составляет 0,1–0,8 %, тогда как в радиальном направлении – 3–5 %, а в тангентальном – 6—12 %.

Водопроницаемость древесины зависит от породы дерева, первоначальной влажности, характера разреза (торцевого, радиального, тангентального), местоположения древесины в стволе (ядро, заболонь), ширины годичных слоев, возраста древесины. Водопроницаемость вдоль волокон больше, чем через радиальную и тангентальную поверхности. Характеризуется водопроницаемость древесины количеством воды, профильтровавшейся через поверхность образца (г/см

).

Теплопроводность древесины невелика, она зависит от характера пористости, влажности, направления волокон, породы и плотности дерева, а также от температуры. Теплопроводность древесины вдоль волокон примерно в 1,8 раза больше, чем поперек волокон. В среднем она составляет 0,16—0,30 Вт/(м °С). С увеличением плотности и влажности уменьшается количество воздуха, находящегося в пустотах, в связи с чем теплопроводность древесины увеличивается.

Электропроводность древесины зависит от ее влажности. Электрическое сопротивление сухой древесины в среднем составляет 75—107 Ом см, а сырой – в 10 раз меньше. Древесину используют при электропроводке в качестве досок, розеток и т. д.

Стойкость древесины к действию кислот, щелочей и воды. Длительное действие кислот и щелочей разрушает древесину, и чем выше концентрация, тем сильнее их разрушающее действие. Слабощелочные растворы не разрушают древесину. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН<2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при рН<4. Хвойные породы считаются более стойкими к действию серной, азотной, соляной и уксусной кислот и едкого натра, чем лиственные, а из хвойных пород наибольшей стойкостью обладает лиственница. В морской воде древесина сохраняется хуже, чем в речной. В воде большой бактериологической агрессивности стойкость древесины низка, поэтому ее не применяют в сетях канализации.

Механические свойства древесины как анизотропного материала не одинаковы в различных направлениях. Они зависят от многих факторов: с увеличением влажности прочность древесины снижается; древесина большой плотности имеет более высокую прочность; на прочность древесины влияют процент поздней древесины, наличие пороков, гнили, старение.

Прочность древесины при сжатии. Усилия к конструктивному элементу могут быть приложены с учетом строения древесины вдоль или поперек волокон, поэтому соответствующим образом различают и сжатие древесины. Для испытания на сжатие вдоль волокон берут образцы древесины без сучков в виде прямоугольной призмы размером 20x20x30 мм при размере древесины не менее 30 мм вдоль волокон и испытывают на прессе.

Предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон с влажностью 12 % в зависимости от породы дерева меняется в широких пределах – от 30 до 80 МПа. Предел прочности древесины при сжатии поперек волокон значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон, и составляет: в радиальном направлении для пихты – 4,1 МПа, граба – 25,6 МПа, а в тангентальном для ели – 7,1 МПа, граба – 15,6 МПа.

Прочность древесины на растяжение. Древесина имеет высокий показатель прочности на растяжение вдоль волокон. Для основных пород эта величина меняется от 80 до 190 МПа. Однако трудность передачи усилий, заключающаяся в том, что в закрепленных концах деревянной детали возникают напряжения смятия и скалывания, которым древесина сопротивляется плохо, не позволяет широко использовать древесину в конструкциях, работающих на растяжение.

Прочность древесины на статический изгиб достаточно высока, благодаря чему ее часто применяют для элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб (балки, бруски, стропила, фермы и т. д.). Предел прочности древесины на изгиб должен быть приведен к влажности 12 %. У лиственных пород прочность при изгибе в радиальном и тангентальном направлениях практически одинакова, а у хвойных прочность в тангентальном направлении немного больше, чем в радиальном. Прочность на статический изгиб зависит от тех же факторов, что и прочность при сжатии.

Прочность древесины на скалывание вдоль волокон невысокая – 6,5—14,5 МПа. Сопротивление перерезыванию древесины поперек волокон в 3–4 раза выше сопротивления скалыванию вдоль волокон, но чистый срез обычно не имеет места, так как одновременно происходит смятие и изгиб волокон. В строительных конструкциях древесина часто работает на скалывание вдоль волокон, например в стропильных фермах и других элементах конструкций.

Пороки древесины

Пороками древесины называют отклонения от нормального строения, а также повреждения, которые оказывают влияние на ее технические свойства. Пороки появляются как при росте дерева, так и при хранении на складах и во время эксплуатации. В зависимости от причин их появления пороки делят на следующие группы: пороки, зависящие от неправильного строения, образовавшиеся от механического повреждения; от грибковых заболеваний; от повреждений насекомыми.

Пороки, зависящие от неправильного роста древесины, следующие:

– косослой древесины выражается в винтообразном направлении волокон, что значительно ухудшает физико-механические свойства древесины. Косослойная древесина имеет повышенную усушку, продольное коробление и понижает прочность древесины при изгибе;

– крень однобокая и местная встречается у хвойных пород и представляет собой утолщение поздней части годовых слоев; кривизна, представляющая собой искривление ствола по длине, бывает односторонней и разносторонней, причем ствол может быть искривлен в одной или разных плоскостях. Кривизна уменьшает полезный выход продукции и является причиной искусственного косослоя;

– сбежистость представляет собой уменьшение диаметра ствола от корня к вершине, превышающее норму; сбежистость является причиной искусственного слоя и уменьшает полезный выход продукции; двойная сердцевина, характеризуемая наличием двух сердцевин в торцовом сечении ствола, снижает качество древесины;

– сучковатость выражается количеством сучков на 1 м, а также величиной и видами самих сучков; сучки бывают заросшие, выпадающие, рыхлые, роговые, табачные и др., а также здоровые и загнившие (например, табачные являются очагами загнивания здоровой древесины).

Трещины образуются не только при высыхании срубленного дерева, но и при жизни. Причинами появления трещин могут быть усыхание ядра, раскачивание ветром, мороз и т. д. Трещины бывают следующих видов: метик, отлуп, морозобоина и трещины усушки. Метик представляет собой одну или несколько внутренних радиально-продольных трещин, проходящих через сердцевину, но не доходящих до луба. Различают метик простой и крестовый. Простой метик состоит из одной или двух трещин на торце, расположенных по одному диаметру; крестовый метик образуется двумя или несколькими трещинами, на торце, расположенными под углом одна к другой. Метик именуется согласным, если трещина идет по стволу в одной плоскости, и несогласным, если трещина идет винтообразно. Отлупом называют внутреннюю трещину, идущую по годовому слою вдоль ствола. Отлуп может быть дугообразный или кольцеобразный. Морозобоина — это наружная открытая продольная трещина, более широкая с внешней стороны ствола и сужающаяся к центру ствола. Трещины усушки встречаются очень часто в древесине почти всех пород. Они образуются при высыхании древесины ниже точки насыщения волокон и распространяются от поверхности вглубь. Трещины снижают качество древесины, уменьшают количество полезной древесины и способствуют ее загниванию.

Повреждения древесины грибками весьма многочисленны. Ненормальные окраски и гнили древесины вызываются главным образом поселившимися в ней грибками, являющимися простейшими растительными организмами и питающимися за счет клеток древесины, а иногда вызываются физико-химическими факторами. Грибки развиваются при наличии кислорода, влаги и благоприятной температуры. Древесина с влажностью 20 % и менее, а также древесина, помещенная в воду или на мороз, не загнивает. Некоторые грибки могут развиваться лишь на растущем дереве, другие – только на срубленном, а некоторые развиваются как на растущем, так и на срубленном дереве. Одни грибки только изменяют окраску древесины и почти не влияют на физико-механические свойства, другие могут влиять на физико-механические свойства древесины, разрушают ее, образуя гнили. К группе грибков, поражающих растущее дерево и продолжающих разрушать его в конструкциях, относятся: гниль дуба белая или бурая, гниль лиственных пород белая и т. п. Грибки, развивающиеся на древесине в зданиях и сооружениях, называют домовыми грибками. Наиболее опасными, быстро разрушающими древесину, являются грибы белый домовой и домовой пленчатый. К группе грибков, медленно разрушающих древесину, относятся плесени, цветные окраски и синева. Процесс гниения древесины при ее высыхании прекращается, и все грибки погибают.

Повреждение древесины насекомыми может происходить как на растущем, так и на срубленном дереве. Насекомые расселяются преимущественно на свежесрубленных, а также на сухостойких и ослабленных деревьях на корню. Растущему дереву наибольший вред приносят короед, усачи и другие насекомые. При использовании древесины, пораженной короедом, для распиловки на доски и тес поврежденные места срезают, что не оказывает вредного влияния на материал, однако при использовании таких бревен возможно быстрое их загнивание, так как жуки часто заносят споры грибков, вызывающих гниение.

Червоточина – это глубокое повреждение древесины насекомыми и их личинками. Древесина, пораженная глубокой червоточиной, имеет низкие механические свойства и сортность вплоть до перехода в разряд дровяных. Глубокая червоточина встречается на всех древесных породах.

Предохранение древесины от разрушения и возгорания

Древесина, находящаяся в сооружении и на складе, может подвергаться разрушению, вызываемому грибками и насекомыми. Неодинаковые древесные породы оказывают различную сопротивляемость разрушающей деятельности грибков и насекомых. Более стойкой является плотная древесина с большим содержанием летней древесины с дубильными веществами. Сухая окоренная (без луба) древесина сохраняется довольно долго в сухих, проветриваемых помещениях. Некоторые древесные породы, находящиеся в воде, не только не разрушаются, но и увеличивают свою прочность, например дуб.

Предохранить древесину от загнивания и увеличить срок службы в сооружении можно путем защиты ее от увлажнения, а также конструктивными мерами. Срок службы древесины увеличивается при сплошном покрытии ее в сухом состоянии масляной краской, лаком или олифой. Значительно увеличивается срок службы сухой древесины, обмазанной смолой. В этом случае смола выполняет функции не только красителя, но и антисептика, хотя и слабого. Выщелачиванием древесины в холодной воде либо в процессе сплава леса можно удалить растительные соки. Выщелачивание производят также в горячей воде путем вываривания.

Антисептики. Одним из самых действенных способов увеличения срока службы древесины является обработка ее антисептиками – веществами, которые отравляют грибки, вызывающие гниение древесины. Антисептики должны обладать высокой токсичностью по отношению к грибкам, быть стойкими, не должны поглощать влагу и вымываться водой. В то же время они должны быть безвредны для человека и домашних животных, хорошо проникать в древесину и не должны разрушать ее и металл и иметь неприятный запах. Антисептики бывают водорастворимые, маслянистые и в виде пасты.

Водорастворимые антисептики используют для обработки древесины, которая в процессе эксплуатации не будет подвергаться воздействию влаги. Из водорастворимых антисептиков наиболее широко применяют фтористый и кремнефтористый натрий, медный купорос, динитрофенолят натрия.

Фтористый натрий NaF — белый порошок, мало растворимый в воде, не имеет запаха, не разрушает древесину и железо. Применяют фтористый натрий для пропитки и обмазки древесины в виде 3 %-ного раствора при температуре 15 °C. Фтористый натрий нельзя использовать в смеси с известью, мелом и гипсом.

Кремнефтористый натрий Na

SiF

– порошок, плохо растворимый в воде, по антисептическим свойствам близок к фтористому натрию. Применяют его в виде горячего раствора в смеси с фтористым натрием в соотношении 1:3, а также в качестве компонента в силикатных пастах или после обработки щелочью.

Динитрофенолят натрия производят из динитрофенола под действием углекислой соды. Динитрофенолят натрия не летуч, не гигроскопичен, не разрушает металлов, в сухом порошке взрывоопасен. Используют его в водных растворах для поверхностной обработки изделий из дерева, которые не будут находиться вблизи нагреваемых поверхностей.

Масляные антисептики вследствие горючести и резкого запаха применяют ограниченно, только для пропитки или обмазки древесины, находящейся на открытом воздухе, в грунте или воде. К ним относятся каменноугольное креозотовое и антраценовое масла, торфяной креозот, каменноугольный деготь и сланцевое масло.

Креозотовое масло — черная или коричневая жидкость – является одним из лучших антисептиков, слабо вымывается водой, не гигроскопично, не летуче, не разрушает древесину и металл; однако оно обладает горючестью, малой проницаемостью, имеет неприятный запах, на поверхности древесины образует плотный слой, затрудняющий ее высыхание. Креозотовое масло применяют подогретым до 50–60 °C. Оно окрашивает древесину в темный цвет, в связи с чем ее нельзя красить. Креозотовое масло не следует применять для внутренней окраски жилых зданий и складов пищевых продуктов, подземных сооружений и поверхностей, расположенных около горючих мест.

Антраценовое масло — зеленовато-желтая жидкость, обладающая сильным антисептическим действием, медленно улетучивается, слабо выщелачивается водой и не разрушает дерева и металлов. Антраценовое масло получают из каменноугольного дегтя. Оно обладает такими же свойствами, что и креозотовое масло, и применяется в тех же случаях.

Антисептические пасты по виду вяжущих веществ бывают битумные, силикатные и др.

Битумные антисептические пасты содержат 30–50 % фтористого натрия, 5–7 % торфяного порошка, до 30 % нефтебитума марки III или IV и до 30 % зеленого нефтяного масла. Эти пасты огнеопасны во время приготовления, обладают резким запахом, водоустойчивы. Применяют их для покрытия элементов, находящихся в условиях увлажнения, соприкасающихся с землей и открытых для атмосферного влияния.

Силикатные антисептические пасты содержат 15–20 % кремнефтористого натрия, 65–80 % растворимого стекла, 1–2 % креозотового масла и до 20 % воды. Эти пасты не водостойки и не горючи. Применяют их в промышленном и жилищном строительстве в местах, защищенных от воды.

Среди способов антисептирования древесины наиболее распространены: поверхностное антисептирование, пропитка в горяче-холодной или в высокотемпературной ваннах, пропитка под давлением и др.

Поверхностное антисептирование заключается в промазывании или опрыскивании древесины раствором антисептика.

Пропитку древесины в горяче-холодной ванне производят водорастворимыми и масляными антисептиками. При этом древесину сначала загружают в ванну с горячим антисептиком с температурой до 98 °C и выдерживают 3–5 ч, а затем помещают в ванну с холодным антисептиком на 1–3 ч с температурой водорастворимых антисептиков 15–20 °C и масляных 40–60 °C. Этот способ эффективен при пропитке подсушенной древесины, имеющей влажность заболони не более 30 %.

Пропитку древесины в высокотемпературных ваннах (с петролатумом) применяют для антисептирования сырой древесины. Древесину загружают в ванну с расплавленным жидким петролатумом, имеющим температуру 120–140 °C, и выдерживают в ней некоторое время для нагревания и сушки, затем древесину перемещают в холодную ванну с масляным антисептиком с температурой 65–75 °C на 24–48 ч. В этом способе совмещаются сушка и антисептирование древесины.